50 лет советской физики - [12]

Опыты Е. Ф. Гросса являются прямым экспериментальным доказательством существования экситонов. Они позволяют определять энергию, необходимую для образования экситонов, а также эффективную массу электронов в полупроводниковых кристаллах. Все это имеет весьма важное значение для развития наших представлений о природе кристаллов и разыгрывающихся в них процессах поглощения, передачи и излучения энергии.

Так советские физики вписали новую блестящую главу в историю физики твердого тела.

ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС

В 1912 г. русский физик В. К. Аркадьев обнаружил странное явление. Пропуская пучок электромагнитных волн сквозь железные проволочки, он зарегистрировал зависимость поглощения этих волн от частоты. При некоторых частотах электромагнитные волны как бы избирательно поглощались в проволочках, образуя, по словам В. К. Аркадьева, «магнитные спектры». Это поглощение сопровождалось изменением намагничивания проволочек. Однако экспериментальная техника того времени позволяла получить лишь грубое качественное подтверждение таких эффектов, а теория была бессильна их объяснить.

В 1923 г. советский физик Я. Г. Дорфман, анализируя работы В. К. Аркадьева, предсказал возможность существования магнитного резонанса — избирательного поглощения коротковолновых радиоволн в веществе.

Первым, кто открыл парамагнитный резонанс, был академик Евгений Константинович Завойский. Это открытие принадлежит к числу крупнейших достижений атомной физики.

В парамагнитном — веществе атомы обладают неспаренными электронными спинами или некомпенсированными орбитальными магнитными моментами, поэтому суммарный магнитный момент таких атомов не равен нулю. Иными словаки, грубо говоря, атомы парамагнитных веществ являются маленькими магнитиками. Если такое вещество поместить в сильное постоянное магнитное поле, то под его влиянием элементарные атомные магнитики, первоначально расположенные как угодно, будут ориентироваться по направлению приложенного к ним поля. Но непрерывное движение электронов делает атом как бы волчком, поэтому магнитный момент каждого атома будет подобно оси волчка совершать прецессию вокруг направления силовых линий постоянного магнитного поля. Это известная из курса атомной физики Ларморовская прецессия. Если теперь включить второе магнитное поле — слабое переменное (или вращающееся) магнитное поле, перпендикулярное постоянному полю, то на каждый атомный магнитик будет действовать вторая сила, стремящаяся повернуть атомные магнитики и расположить их параллельно плоскости вращения переменного поля. Если частота переменного поля не будет совпадать с частотой собственного вращения атомного магнитного момента вокруг силовых линий постоянного поля, то вызываемые переменным полем отклонения будут в разные моменты времени взаимнопротивоположными, так что в среднем влияние этого поля будет равно нулю.

Совершенно иная картина возникает тогда, когда обе частоты совпадают. При этом атомный магнитик все время будет отклоняться в направлении плоскости вращения переменного поля, удаляясь от положения устойчивого равновесия и увеличивая энергию атома. Эту дополнительную энергию атомы заимствуют у переменного магнитного поля.

Так как атомы парамагнитного вещества постоянно взаимодействуют друг с другом, энергия, приобретенная одним из них, быстро передается соседним атомам и идет на увеличение энергий теплового движения, нагревая парамагнитик.

С квантовой точки зрения парамагнитный резонанс объясняется возникновением квантовых переходов в атомах под влиянием переменного магнитного поля. Такие переходы возможны лишь при условии, что энергия квантов электромагнитного поля совпадает с разностью энергий двух магнитных состояний атома. При напряженности постоянного поля порядка 10 000 эрстед резонанс наблюдается на электромагнитных волнах сантиметрового диапазона, применяемых обычно в радиолокационных устройствах.

В опытах академика Е. К. Завойского частота переменного магнитного поля оставалась неизменной (она задавалась генератором). Изменялась же напряженность постоянного магнитного поля. Так как (постоянное поле создавалось электромагнитом, эти изменения легко осуществлялись при помощи реостата. Меняя величину напряженности постоянного поля, мы автоматически изменяем частоту обращения атомных магнитиков вокруг силовых линий этого поля. В момент совпадения обоих частот возникает резонансное поглощение, регистрируемое осциллографом или гальванометром.

Частота обращения атомных магнитиков вокруг силовых линий постоянного поля зависит также и от природы атома. Кроме того, точно такой же эффект наблюдается и в молекулах. Это позволяет воспользоваться методом парамагнитного резонанса для исследования структуры и химического состава различных веществ.

Парамагнитный резонанс обладает необычайной чувствительностью, позволяя регистрировать уровни энергии, совершенно недоступные для оптических методов. Так как обычно химические активные центры (радикалы), активизирующие течение многих реакций, имеют собственные магнитные моменты, парамагнитный резонанс позволяет легко обнаруживать возникновение радикалов в ходе сложных химических реакций и определять их природу. В последние годы парамагнитный резонанс все шире применяется в биологии для анализа тонких деталей биохимических реакций, протекающих в живых организмах.